マサチューセッツ大学アマースト校のエンジニアが率いる研究グループは、水中環境の表面で増殖するバイオフィルムを 98% 削減できる紫外線 (UV) 線放射ガラスを開発しました。雑誌で報告されているようにバイオフィルム。

バイオフィルムは、濡れた表面で成長するさまざまな種類の微生物のぬるぬるした層です。「シンクの下を覗いて内側に触れてみると、そのぬるぬるした物質がバイオフィルムです」と、土木学科助教授のマリアナ・ランザリーニ＝ロペス氏は言う。環境工学アマースト大学マサチューセッツ校の博士号を取得しており、この論文の責任著者でもあります。

バイオフィルムは水中用途にとって重要な問題です。アメリカ海軍は、バイオフィルムによる艦隊の損失が年間 1 億 8,000 万ドルから 2 億 6,000 万ドルに達すると見積もっています。すべての水中表面でバイオフィルムが成長すると、船舶の抗力とその後の燃料使用量が増加するだけでなく、船舶や海洋学機器の腐食損傷も増加します。

バイオフィルムはまた、透明度に依存するカメラやその他の感知装置に使用される窓を曇らせたり、外来種を海を越えて運ぶ可能性もあります。

バイオフィルムに対処するための現在の解決策は、微生物を殺すための殺生物性コーティングや、そもそもバイオフィルムの付着を防ぐための焦げ付き防止コーティングなどの化学薬品に依存しています。ただし、これらの方法は生態系に悪影響を与える可能性があり、効果は短期間しか持続しません。

これらの代替として化学的方法マサチューセッツ州アマースト校のチームは、紫外線の消毒波長が最も短く、最も効果的な UVC 放射線を使用してバイオフィルム耐性ガラスを開発しました。

ロペスの研究室はすでに、UV 側放射が実証されています。光ファイバー医療機器（内視鏡、カテーテル、人工呼吸器など）、家庭用機器（コーヒーメーカー、冷蔵庫）などの小さなチャネルに UVC 放射線を分配できます。貯水/分配システム（パイプ、膀胱、膜）で病原体を不活性化し、表面での細菌の増殖を防ぎます。

「表面、空気、水を消毒するための UV については多くの人が知っています」とロペス氏は言います。「特にSARS-CoV-2ウイルスの消毒に非常に効果的だったため、人々はさらにそれを使い始めました。」

しかし、水中環境では、ガラスに紫外線を当てるほど単純ではありません。ロペスの研究室の博士研究員で研究主任著者のレイラ・アリドクト氏は、いくつかの理由から「従来の光源を使用して表面に光を均一に分配することはできない」と語る。光は光源から遠ざかるにつれて弱くなるため、広い表面積をカバーすることが困難になります。紫外線波は、周囲の水の濁りによっても妨げられることがあります。

紫外線が不均一に分布すると、バイオフィルムを形成する微生物に足場ができ、表面全体が脆弱な状態になります。「バイオフィルムが表面の一部に付着すると、他の部分にも広がる可能性があります」と彼女は付け加えた。

研究チームの解決策は、ガラス上のシリカナノ粒子コーティングです。「UV LED はガラスの断面から接続されています」とアリドクト氏は説明します。これらの光散乱ナノ粒子を使用して、「紫外線がガラスに入射すると、ガラスの内側から外側に紫外線を散乱させます」。シリカは紫外線を吸収しません。波はナノ粒子で反射し続け、ガラス内部を通って均一に「輝く」ガラス表面を実現します。

それをテストするために、研究者らはフロリダ工科大学および海軍と協力して、この紫外線放射ガラスをフロリダ州ポートカナベラルの海域に20日間沈めました。未処理のガラスと比較して、このガラスは目に見えるバイオフィルムの成長を 98% 削減しました。

「外部 UV 照射技術とは対照的に、UV 放射ガラスは対象表面でのバイオフィルムの形成を直接阻害します。表面自体が UVC 源として機能します」と Alidokht 氏は言います。

彼女は、この発見がさまざまな消毒用途への扉を開くことに興奮しています。「開発された技術は、船舶の窓、浮遊球や係留ブイ、海洋学、農業、水処理用途のカメラレンズやセンサーなどの透明な表面の消毒に使用できます」と彼女は言う。

研究チームはその発見に対して暫定特許を取得しました。

チームは、このガラスがバイオフィルムの形成（生物付着として知られる）に効果的に抵抗することを証明したので、長期的な用途のテスト、環境への影響の評価、より大きな表面積の作成など、発見を最適化することに興奮しています。

将来のもう一つの探求の道：「私たちはまた、バイオフィルム「（水中カメラの）展開時間の長さの主な阻害要因は生物付着であるため、生物付着の割合を減らすことができれば、このすべての光学機器の展開時間を長くすることができます」とロペス氏は付け加えた。」

詳細情報:Leila Alidokht et al、UV 放射ガラス: 透明な表面でのバイオフィルム抑制の有望な戦略、バイオフィルム（2024年）。DOI: 10.1016/j.bioflm.2024.100186